JP2015187422A - 圧縮着火式エンジンの始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮着火式エンジンの始動時に、燃焼騒音が増大してしまうことを防止する。【解決手段】圧縮着火式エンジンの始動装置（エンジンシステム１）の制御部（ＥＣＭ１００）は、多気筒エンジン（エンジン１０）を始動するときに、複数の気筒１１に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させる。制御部は、多気筒エンジンの始動時に、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる。【選択図】図１０

Description

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの始動装置に関する。

特許文献１には、自動停止条件が成立したときにエンジンを停止させると共に、再始動条件が成立したときにエンジンを再始動させるディーゼルエンジンが記載されている。このディーゼルエンジンでは、再始動条件が成立したときには、始動開始後、ピストンが最初に圧縮上死点に至る停止時圧縮行程気筒、つまりエンジンが自動停止したときに、ピストン位置が圧縮行程の途中にある気筒に対して最初の燃料噴射を行い、それを圧縮着火燃焼させるようにしている。これにより、エンジンの再始動を迅速に行うことが可能になる。また、このディーゼルエンジンでは、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が上死点側に位置していて有効圧縮比が低くなること等に起因して、当該気筒で最初の圧縮着火ができないと判断したときには、その停止時圧縮行程気筒への最初の燃料噴射を行わずに、次にピストンが圧縮上死点に至る停止時吸気行程気筒に最初の燃料噴射を行い、圧縮着火燃焼させるようにしている。

特開２００９−６２９６０号公報

ところで、ガソリンを含有する燃料を気筒内に供給しかつ、その混合気を圧縮着火により燃焼させるよう構成された圧縮着火式エンジンが知られている。この圧縮着火式エンジンでは、圧縮着火燃焼の安定性を高める観点から、幾何学的圧縮比を高く設定することが考えられる。

幾何学的圧縮比を高く設定することにより、エンジンの始動時においても圧縮着火燃焼が可能になる。圧縮着火式エンジンを始動するときには、圧縮上死点付近で圧縮着火させて燃焼を行うことが望ましい。こうすることで、大トルクが発生して、エンジンの迅速始動が可能になる。例えば圧縮行程終期から膨張行程初期の期間内で、気筒内に燃料噴射を行えば、圧縮上死点付近で圧縮着火するようになる。

そうして１回目の燃料噴射及び圧縮着火燃焼を行うことにより、エンジンの回転数が高くなると、ピストンリングの合口隙間からのガス漏れ量が少なくなるため、次に燃料を噴射する気筒では、有効圧縮比が相対的に高くなる。有効圧縮比が高くなることで、ピストンが圧縮上死点に至ったときの気筒内の圧力及び温度（つまり、圧縮端温度及び圧縮端圧力）が相対的に高くなる。圧縮着火は、火花点火とは異なり、その着火タイミングが気筒内の温度及び圧力環境に大きく影響されるため、２回目の燃料噴射のタイミングを、１回目の燃料噴射のタイミングと同じタイミングにしたのでは、圧縮着火のタイミングが相対的に早くなって、圧縮着火燃焼による気筒内の圧力上昇が急峻になる虞がある。気筒内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）は、エンジンの燃焼騒音の指標となり得るパラメータであり、圧縮着火式エンジンの始動時に、圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超えてしまうことにもなる。

エンジン始動時の燃焼騒音の問題は、圧縮着火式エンジンを強制始動するときに限らず、特許文献１に記載されているように、自動停止していたエンジンを再始動するときには、より顕著になる。

つまり、エンジンの再始動時に、停止時圧縮行程気筒に最初に燃料を噴射するときには、当該停止時圧縮行程気筒のピストンは、圧縮行程の途中にあり、圧縮上死点までの圧縮ストロークは相対的に短いため、有効圧縮比は低くなる。これに対し、次に燃料を噴射する停止時吸気行程気筒は、吸気下死点を経て圧縮上死点へと至るため、圧縮ストロークが相対的に長くて、有効圧縮比が高くなる。このことと、前述したエンジン回転数の上昇に伴う有効圧縮比の上昇とが組み合わさって、エンジンの再始動時には、２回目以降に燃料を噴射する気筒において、圧縮着火燃焼による気筒内の圧力上昇が急峻になり易い。

また、エンジンの再始動時には、エンジンが自動的に始動するため、運転者が始動操作を行う強制始動時よりも音に関する要求が厳しくなり、圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）の制限値は、より一層低くなり得る。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮着火式エンジンの始動時に、迅速始動を可能にしながら、燃焼騒音が増大してしまうことを防止することにある。

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの始動時に、有効圧縮比の上昇によって圧縮着火燃焼による気筒内の圧力上昇が急峻になるようなときには、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、燃料噴射タイミングを遅らせるようにした。

具体的に、ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンの始動装置に係り、この始動装置は、それぞれピストンが嵌挿される複数の気筒を有するよう構成された多気筒エンジンと、各気筒内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記インジェクタを通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記多気筒エンジンを運転するよう構成された制御部と、を備える。

そして、前記制御部は、前記多気筒エンジンを始動するときに、前記複数の気筒に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させ、前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時に、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる。

ここで、「圧縮行程終期」は、圧縮行程を、初期、中期及び終期の三つの期間に三等分したときの終期としてもよい。また、「膨張行程初期」は、膨張行程を、初期、中期及び終期の三つの期間に三等分したときの初期としてもよい。

「圧縮行程終期から膨張行程初期の期間」で行う燃料噴射は、トルクの発生に最も寄与する主燃焼、つまり、１サイクル中で最も大きな熱量を発生させるための燃料噴射である。この燃料噴射は、主噴射ということができる。「圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行う」ことには、当該期間内で行う燃料噴射が含まれていればよい。つまり、当該期間内で主噴射を行えばよく、当該期間外でさらに燃料噴射を行ってもよい。また、当該期間内で、主噴射を含む複数回の燃料噴射を行ってもよい。

前記の構成によると、多気筒エンジンを始動するときには、複数の気筒に順次燃料を噴射する。圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で、気筒内に噴射した燃料によって形成される混合気は、圧縮着火により燃焼する。圧縮着火は、コントロールされた自己着火である。圧縮着火燃焼は、火花点火燃焼と比較して燃焼期間が短くて熱効率が高いため、大トルクの発生に有利であり、圧縮着火式エンジンの迅速始動が可能になる。

制御部は、多気筒エンジンの始動時に、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを遅角させる。つまり、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングは、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で、相対的に早いタイミングになる。これにより、最初に燃料を噴射した気筒では、圧縮上死点付近で圧縮着火し、燃焼する。圧縮着火燃焼による膨張エネルギを、効率良くピストンに伝達して、多気筒エンジンの迅速始動に有利になる。

最初の燃料噴射による燃焼によって多気筒エンジンの回転数が高まるが、制御部は、次に燃料を噴射するとき（尚、この燃料噴射は、最初の燃料噴射とは別の気筒である）の噴射タイミングを、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で、相対的に遅いタイミングにする。これにより、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火させる。この圧縮着火燃焼は、気筒内の圧力が次第に低下する膨張行程においても、圧縮上死点から離れて、気筒内の圧力の低下度合いが大きくなったタイミングに行われるため、気筒内の圧力上昇が急峻になってしまうことが回避される。

ここで、「圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火する」結果、圧縮着火燃焼の燃焼期間が、モータリング時の気筒内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複する、又は、圧縮着火燃焼の燃焼中心が負の圧力上昇率が大きい期間（圧縮上死点後１０°〜２０°ＣＡ）と重複するようにしてもよい。こうすることで、圧縮着火燃焼時の気筒内の圧力上昇率を効果的に低減することが可能になる。

こうして、有効圧縮比が相対的に高くなる２回目の燃料噴射時に、圧縮着火燃焼に伴う気筒内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が高くなることを抑制して、燃焼騒音レベルを制限値以下に収めることが可能になる。

ここに開示する圧縮着火式エンジンの始動装置はまた、それぞれピストンが嵌挿される複数の気筒を有するよう構成された多気筒エンジンと、各気筒内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、前記インジェクタを通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記多気筒エンジンを運転するよう構成された制御部と、を備える。

そして、前記制御部は、所定の自動停止条件が成立したときに前記多気筒エンジンを自動停止すると共に、所定の再始動条件が成立したときに、前記複数の気筒に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させることで、前記多気筒エンジンを再始動し、前記制御部は、前記多気筒エンジンの再始動時に、最初に燃料を噴射する停止時圧縮行程気筒への噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射する停止時吸気行程気筒への噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる。

ここにおいても、「圧縮行程終期」は、圧縮行程を、初期、中期及び終期の三つの期間に三等分したときの終期としてもよい。また、「膨張行程初期」は、膨張行程を、初期、中期及び終期の三つの期間に三等分したときの初期としてもよい。

「圧縮行程終期から膨張行程初期の期間」で行う燃料噴射は、トルクの発生に最も寄与する主燃焼、つまり、１サイクル中で最も大きな熱量を発生させるための燃料噴射であり、この燃料噴射は、主噴射ということができる。繰り返しになるが、「圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行う」ことには、当該期間内で行う燃料噴射が含まれていればよい。つまり、当該期間内で主噴射が行えばよく、当該期間外でさらに燃料噴射を行ってもよい。また、当該期間内で、主噴射を含む複数回の燃料噴射を行ってもよい。

前記の構成によると、所定の自動停止条件が成立することによって停止した多気筒エンジンを、所定の再始動条件が成立することによって再始動するときには、停止時圧縮行程気筒に対して、最初の燃料噴射を行い、圧縮着火燃焼を行う。停止時圧縮行程気筒は、多気筒エンジンのクランキングにより、ピストンが最初に圧縮上死点に至る気筒であり、当該気筒において最初の圧縮着火燃焼を行うことで、多気筒エンジンの迅速な再始動が可能になる。１回目の燃料噴射による停止時圧縮行程気筒での圧縮着火燃焼は、大トルクを発生させる観点から、圧縮上死点付近で行うことが望ましい。

停止時圧縮行程気筒に対する１回目の燃料噴射に続いて、２回目の燃料噴射は、停止時吸気行程気筒に対して行われる。停止時吸気行程気筒は、圧縮ストロークが停止時圧縮行程気筒よりも長いため、有効圧縮比も相対的に高くなる。また、２回目の燃料噴射時には、エンジン回転数が高まる分、有効圧縮比がさらに高くなり得る。そのため、停止時吸気行程気筒では、圧縮着火燃焼による圧力上昇が急峻になり易い。

そこで、前記の構成では、停止時吸気行程気筒への噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、相対的に遅角させる。これにより、前述したように、圧縮上死点から離れて、気筒内の圧力の低下度合いが大きくなったタイミングに、圧縮着火燃焼が行われるため、気筒内の圧力上昇が急峻になってしまうことが回避される。燃焼騒音に対する要求レベルが厳しいエンジンの再始動時において、迅速始動を可能にしながら、燃焼騒音の増大が防止される。

前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、前記多気筒エンジンの始動完了後の低負荷定常運転状態の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆよりもリッチになるように、燃料噴射量を調整する、としてもよい。

多気筒エンジンの始動時に、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆを相対的にリッチにすることで、圧縮着火燃焼の安定化及び大トルクの発生に有利になる。これは、エンジンの迅速始動を可能にする。

一方で、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆを相対的にリッチにしていると、有効圧縮比が高くなったときに、圧縮着火燃焼による気筒内の圧力上昇が急峻になり易くなるものの、前述の通り、燃料の噴射タイミングを遅角させて、圧縮着火燃焼を膨張行程において行うことで、燃焼騒音の増大が回避される。

前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、混合気の空気過剰率λを１にする、としてもよい。

こうすることで、エンジンの始動時に、圧縮着火燃焼の安定化及び大トルクの発生に有利になり、多気筒エンジンの迅速始動が可能になる。逆に、エンジンの始動が完了した後の低負荷定常運転状態（アイドル運転状態を含む）には、混合気の空気過剰率λを、１を超えるリーンにすることで、熱効率の向上が図られる。

前記制御部は、次に燃料を噴射する気筒については、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で行う主噴射の前に、当該主噴射よりも噴射量の少ない前段噴射を行う、としてもよい。

ここで、「前段噴射」は、噴射した燃料が熱炎反応に至らずに酸化反応をする量の燃料を噴射することにより、圧縮上死点以降の気筒内の温度の低下を抑制しながら、その気筒内の温度の変動を所定の温度幅に収めるような噴射、と定義してもよい。つまり、膨張行程が進むにつれて気筒内の温度は次第に低下をするため、圧縮着火のタイミングを圧縮上死点以降で遅らせすぎると、失火になる虞がある。一方で、圧縮着火のタイミングを圧縮上死点以降でかつ、圧縮上死点に近づけると、気筒内の圧力が高い状態にあるため、圧縮着火燃焼による圧力上昇が急峻になってしまう。

前段噴射は、圧縮上死点以降の気筒内の温度の低下を抑制しながら、その気筒内の温度の変動を所定の温度幅に収めることで、主噴射により気筒内に噴射した燃料を、圧縮上死点以降の遅いタイミングで（つまり、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れたタイミングで）、安定的に圧縮着火させることを可能にする。これは、圧縮着火燃焼による圧力上昇が急峻になってしまうことを回避する上で有利になる。

ここで、前段噴射は、気筒内の温度が高くなりすぎることも抑制している。気筒内の温度が高くなりすぎると、気筒内に噴射した燃料が、空気と十分に混ざり合う前に局所的に着火をし、煤が発生してしまう虞がある。前段噴射は、煤の発生も抑制する。

ここで、前段噴射は、例えば圧縮行程終期よりも前のタイミングに行う噴射としてもよい。また、前段噴射は、複数回の噴射に分割してもよい。複数回の前段噴射は、圧縮行程終期よりも前のタイミングに行う第１噴射と、圧縮上死点後の、上死点付近において行う第２噴射と、してもよい。

前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、圧縮着火燃焼の燃焼重心が圧縮上死点以降となるように、噴射タイミングを設定する、としてもよい。こうすることで、最初の燃料噴射時には、圧縮上死点に近いタイミングで圧縮着火燃焼を行うことで、発生するトルクが高まり、多気筒エンジンの迅速始動に有利になる。また、次の燃料噴射時には、圧縮上死点から離れたタイミングで圧縮着火燃焼を行うことで、燃焼騒音の低減に有利になる。燃焼重心は、気筒内の燃料の５０％が燃焼し終わる時期（燃料の燃焼質量割合が５０％となる時期）と定義することができる。

前記制御部は、前記多気筒エンジンの再始動時に、前記停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角よりも上死点側にあるときには、前記停止時圧縮行程気筒へ最初の燃料噴射を行わず、前記停止時吸気行程気筒に最初の燃料噴射を行うと共に、その噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定期間だけ遅れて圧縮着火するように、設定する、としてもよい。

停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、比較的上死点側にあるときには、圧縮ストロークが短くなって有効圧縮比が低くなるため、圧縮端温度及び圧縮端圧力がそれぞれ低くなる。これは、気筒内に噴射した燃料の圧縮着火の安定性を低下させる。

そこで、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角よりも上死点側にあるときには、多気筒エンジンの再始動時に、停止時圧縮行程気筒への最初の燃料噴射は行わず、停止時吸気行程気筒に最初の燃料噴射を行う。停止時吸気行程気筒は、前述の通り、圧縮ストロークが長くて有効圧縮比が高くなるため、圧縮着火の安定性低下という問題は回避される。一方、停止時吸気行程気筒は、有効圧縮比が高くなることから、エンジンの再始動時の１回目の燃料噴射であるものの、その噴射タイミングを遅らせる。こうして、圧縮着火燃焼を安定して行いつつ、圧力上昇が急峻になることを回避して、エンジンの再始動時の燃焼騒音の増大が防止される。

以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジンの始動装置によると、多気筒エンジンを始動するときに、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを遅らせることで、エンジンの迅速始動を実現しつつ、燃焼騒音が増大してしまうことが防止される。

エンジンの構成を示す概略図である。 エンジンの制御に係る構成を示すブロック図である。 インジェクタの内部構造を示す断面図である。 高電圧制御器が出力する短パルス高電圧を例示した概略図である。 エンジンの運転制御に係るマップを例示する概略図である。 （Ａ）は、リタード自己着火燃焼時の噴射形態を示す図であり、（Ｂ）は、気筒内の温度変化を例示する図である。 気筒内でのオゾンの生成状態を例示する概略図である。 エンジンの再始動に係る制御フローである。 停止時圧縮行程気筒の、ピストン位置の変化と気筒内の温度の変化との関係を示す図である。 エンジンを再始動するときの、各気筒の燃料噴射タイミングを例示する説明図である。 エンジンを再始動するときの、吸気弁の閉弁タイミングの変化（上図）と、エンジン回転数の変化（下図）とを例示するタイムチャートである。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。

（エンジンシステムの全体構成）
図１、２は、実施形態に係るエンジンシステム１の構成を示している。このエンジンシステム１は、車両に搭載されるシステムである。エンジンシステム１は、エンジン１０、エンジン１０に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するＥＣＭ（Engine Control Module、制御部）１００を含む。

エンジン１０のクランクシャフト１５は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１０の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１０は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数の気筒１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。エンジン１０は、多気筒エンジンである。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。各気筒１１内には、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されたピストン１６が摺動自在に嵌挿されている。ピストン１６は、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１６等は、アルミニウム合金等の、電気伝導性を有する金属で形成されていて、接地（アース）処理が施されている。

本実施形態では、燃焼室１７の天井面１７ａ（シリンダヘッド１３の下面）は、上方に膨出した球面形状に形成されている（つまり、ドーム型）。その形状に対応して、ピストン１６の頂面１６ａもドーム型に形成されている。ピストン１６の頂面１６ａの中央部には、凹状のキャビティ１６ｂが形成されている。尚、前記天井面１７ａ及びピストン１６の頂面１６ａの形状は、後述の高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面１７ａ及びピストン１６の頂面１６ａ（キャビティ１６ｂを除く部分）の両方が、気筒１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよいし、天井面１７ａが三角屋根状（いわゆるペントルーフ形状）をなす一方、ピストン１６の頂面１６ａが、その天井面１７ａに対応した凸形状をなして構成されていてもよい。

図１には１つのみ示すが、気筒１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、気筒１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、気筒１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフト１５に駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフト１５の回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３、２４を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構及び／又は排気弁駆動機構は、ＶＶＴ２３、２４と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。

各気筒１１の吸気ポート１８は、図１において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路３０に連通している。また、各気筒１１の排気ポート１９は、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路４０に連通している。

吸気通路３０には、各気筒１１への吸入空気量を調節するスロットル弁３１が配設されている。吸気通路３０におけるスロットル弁３１の下流側部分と、排気通路４０とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５１によって接続されている。ＥＧＲ通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５２及び排気ガスを冷却するための、水冷式のＥＧＲクーラ５３が配設されている。ＥＧＲ通路５１、ＥＧＲ弁５２及びＥＧＲクーラ５３を含んで、ＥＧＲシステム５０が構成される。

尚、図示は省略するが、排気通路４０における下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒コンバータが配設されている。触媒コンバータは、例えば三元触媒を内蔵しており、排気通路を通過する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化する機能を有する。

エンジン１０において、シリンダヘッド１３における気筒１１の中心軸上には、気筒１１内（燃焼室１７内）に燃料を直接噴射するインジェクタ６が配設されている。このインジェクタ６は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ６の先端は、燃焼室１７の天井面１７ａの中心に臨んでいる。

図３に示すように、インジェクタ６は、気筒１１内に燃料を噴射するノズル口６１を開閉する外開弁６２を有する、外開弁式のインジェクタである。ノズル口６１は、気筒１１の中心軸に沿って延びる燃料管６３の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。燃料管６３の基端側の端部は、内部にピエゾ素子６４が配設されたケース６５に接続されている。外開弁６２は、弁本体６２ａと、弁本体６２ａから燃料管６３内を通ってピエゾ素子６４に接続された連結部６２ｂとを有している。弁本体６２ａの連結部６２ｂ側の部分が、ノズル口６１と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口６１に当接（着座）しているときには、ノズル口６１が閉状態となる。このとき、弁本体６２ａの先端側の部分は、燃料管６３の外側に突出した状態となっている。

ピエゾ素子６４は、電圧の印加による変形により、外開弁６２を気筒１１の中心軸方向の燃焼室１７側に押圧することで、その外開弁６２を、ノズル口６１を閉じた状態からリフトさせてノズル口６１を開放する。このとき、ノズル口６１から気筒１１内に燃料が、気筒１１の中心軸を中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°〜１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子６４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子６４が元の状態に復帰することで、外開弁６２がノズル口６１を再び閉状態とする。このとき、ケース６５内における連結部６２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ６６がピエゾ素子６４の復帰を助長する。

ピエゾ素子６４に印加する電圧が大きいほど、外開弁６２の、ノズル口６１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる。このリフト量が大きいほど、ノズル口６１の開度が大きくなってノズル口６１から気筒１１内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる（長くなる）とともに、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。ピエゾ素子６４の応答は速く、後述の噴射を容易に実現することが可能である。但し、外開弁６２を駆動する手段としては、ピエゾ素子６４には限られない。また、インジェクタ６も外開弁式に限らず、例えば多噴口型のインジェクタを採用してもよい。

燃料供給システム６７（図２参照）は、外開弁６２（ピエゾ素子６４）を駆動するための電気回路と、インジェクタ６に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。ＥＣＭ１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子６４及び外開弁６２を作動させて、所望量の燃料を、気筒１１内に噴射させる。噴射信号の非出力時（噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁６２によりノズル口６１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子６４は、ＥＣＭ１００からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてＥＣＭ１００は、ピエゾ素子６４の作動を制御して、インジェクタ６のノズル口６１からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。

燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられている。高圧燃料ポンプはエンジン１０により駆動されかつ、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ６が作動する（外開弁６２がリフトされる）ことによって、コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口６１から噴射される。

ここで、エンジン１０の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料（液体燃料）であれば、どのような燃料であってもよい。

また、このエンジン１０の燃焼室１７内には、オゾン生成部７の放電プラグ７１が配設されている。この放電プラグ７１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に固定されている。放電プラグ７１の先端部は燃焼室１７の天井面１７ａから突出して燃焼室１７内に臨んでいる。この放電プラグ７１の先端部は、図１では、図示の関係上、ずらして描いているが、実際は、吸気ポート１８と排気ポート１９の間でかつ、インジェクタ６のノズル口６１の近傍に位置している（図７も参照。尚、図１と図７とは断面が相違する）。放電プラグ７１は、碍子７１ａで周囲が電気的に絶縁された棒状の電極７１ｂを有している。電極７１ｂは、シリンダヘッド１３やシリンダブロック１２から電気的に絶縁された状態で、燃焼室１７内に突出している。

オゾン生成部７はまた、図２に示すように、高電圧制御器７２を有している。高電圧制御器７２は、放電プラグ７１と電気的に接続されており、燃焼室１７で、後述するような極短パルス放電が生じるように、制御されたパルス状の高電圧を電極７１ｂに印加する機能を有している。具体的には、図４に示すように、５０ナノ秒以下のパルス幅ＰＷで１０ｋＶ以上の高電圧からなる電圧（短パルス高電圧）を、所定期間、断続的に電極７１ｂに印加する機能を有している。尚、オゾン生成部７の配置及び構成は、これに限定されるものではない。

ＥＣＭ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

ＥＣＭ１００には、車速を検出する車速センサ８１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ８２、ブレーキペダルのオン／オフを検出するブレーキセンサ８３、吸気通路３０を流れる新気の流量及び温度を検出するエアフローセンサ８４、クランクシャフト１５の回転角度及び回転速度を検出するためのクランク角パルス信号を出力するクランク角センサ８５、気筒識別情報を得るためのカムシャフトパルス信号を出力するカム角センサ８６、エンジン１０の冷却水温を出力する水温センサ８７、油温を出力する油温センサ８８、及び、図示省略の車載バッテリの残量を出力するバッテリセンサ８９が、少なくとも接続されている。

ＥＣＭ１００は、前述した各センサ等からの信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を判断し、それに対応するエンジン１０の制御パラメータを設定する。そして、ＥＣＭ１００は、各制御パラメータに対応する信号を、スロットル弁３１、燃料供給システム６７、吸気ＶＶＴ２３、排気ＶＶＴ２４、高電圧制御器７２、ＥＧＲ弁５２、図１では図示を省略するスタータモータ９１等に出力する。

（エンジン本体の構成）
次に、エンジン本体の構成についてさらに詳細に説明をする。このエンジン１０の幾何学的圧縮比εは、２０以上４０以下とされている。幾何学的圧縮比εは、特に２５以上３５以下が好ましい。エンジン１０は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１０でもある。このエンジン１０は、詳細は後述するが、全運転領域で気筒１１内に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させるよう構成されており、高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼の安定化に有利である。

燃焼室１７は、気筒１１の壁面と、ピストン１６の頂面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面１７ａ）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層が設けられることによって、燃焼室１７が断熱化されている。断熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井面１７ａ側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。

これらの断熱層は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。

また、断熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、断熱層の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。

前記断熱層は、例えば、母材上にＺｒＯ_２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。

本実施形態では、前記の燃焼室の断熱構造に加えて、気筒１１内（つまり、燃焼室１７内）においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。

具体的には、ＥＣＭ１００は、エンジン１０の気筒１１内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降においてインジェクタ６のノズル口６１から気筒１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム６７の電気回路に噴射信号を出力する。すなわち、圧縮行程以降においてインジェクタ６により気筒１１内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒１１内の外周部まで届かないような大きさ（長さ）に抑えることで、気筒１１内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。

前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と気筒１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が気筒１１の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、気筒１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１０では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１０は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。

（エンジンの燃料噴射制御）
エンジン１０は、全運転領域において、インジェクタ６により気筒内に噴射された燃料を圧縮着火燃焼させる。より詳しくは、エンジン１０は、エンジン負荷が、図５に実線で示す所定の負荷（つまり、切替負荷）よりも低い低負荷及び中負荷の運転領域であって、通常の圧縮着火燃焼を行う通常運転領域Ａと、通常運転領域Ａよりも高負荷側の運転領域であって、リタードさせた圧縮着火燃焼を行うリタード運転領域Ｂとを有している。リタード運転領域Ｂは、後述するように、負荷の高低について領域Ｂ１と領域Ｂ２とに分割される。

通常運転領域Ａでは、圧縮上死点付近で燃料を圧縮着火させて、燃焼させる。例えばインジェクタ６による燃料噴射開始タイミングが、圧縮行程中に設定される。通常運転領域Ａでは、ＥＣＭ１００は、エンジン回転数、エンジン負荷及び有効圧縮比に応じて、燃料量、燃料の噴射タイミング、燃料の噴射形態を調整する。

通常運転領域Ａでは、気筒内全体の空気過剰率λが２以上、又は、気筒１１内におけるガスの、燃料に対する重量比Ｇ／Ｆが３０以上に設定される。これにより、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、ＲａｗＮＯｘを低減することができる。ＲａｗＮＯｘを低減する観点からは、空気過剰率λ≧２．５がより一層好ましい。また、空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８が好ましい（より好ましくは、２．５≦λ≦８）。尚、混合気のリーン化は、スロットル弁３１を開き側に設定することになるから、ガス交換損失（ポンピングロス）の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。通常運転領域Ａは、空気過剰率λを、１を超えて設定するため、リーン領域と呼ぶことが可能である。

このように通常運転領域Ａでは、空気過剰率λを２以上に設定するが、エンジン１０の負荷が高まって燃料量が増えたときには、空気過剰率λを２以上にすることが困難になり得る。そこで、このエンジン１０では、エンジン１０の負荷が相対的に高いリタード運転領域Ｂでは、空気過剰率λを１にする。リタード運転領域Ｂにおいては、三元触媒を利用して排気エミッション性能を良好に維持することが可能になる。このエンジンシステム１では、ＮＯｘ浄化触媒を省略することが可能である。リタード運転領域Ｂは、空気過剰率λを１にすることから、λ＝１領域と呼ぶことができる。

リタード運転領域Ｂでは、図６に示すように、圧縮上死点から、主噴射の燃料が圧縮着火するまでの筒内温度を実質的に圧縮上死点における筒内温度のまま維持するための熱量を発生させる前段噴射と、膨張行程において圧縮着火燃焼を生じさせるための主噴射とが行われる。以下、前段噴射によって圧縮上死点以降の筒内温度を維持しつつ、着火タイミングをリタードさせる自己着火燃焼を「リタード自己着火燃焼」と称する。

前段噴射は、噴射した燃料を部分酸化反応させる空燃比となる量だけ燃料を噴射するものであって、圧縮上死点以降の筒内温度を所定の期間、主噴射による燃料が圧縮着火可能な温度に維持するためのものである。前段噴射では、燃料が酸化反応するものの熱炎反応には至らないので、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制する程度の熱量しか発生しない。つまり、前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この前段噴射により、図６（Ｂ）に示すように、圧縮上死点以降の混合気は、温度変化が所定の温度幅内に抑制された状態で膨張、即ち、実質的に等温膨張する。本明細書では、この実質的な等温膨張のことを単に「等温膨張」という。

所定の温度幅の上限値は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火してしまう温度未満の温度である。所定の温度幅の下限値は、モータリングによって低下する筒内温度よりも高い温度である。つまり、前段噴射によって、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、主噴射による燃料が筒内の空気に混合される前に着火する温度未満であって、圧縮上死点における筒内温度を、モータリングを行うことで低下させた温度よりも高い温度に維持される。例えば、「所定の温度幅」は、１００度である。より具体的には、圧縮上死点から主燃焼が生じるまでの筒内温度は、１０００〜１１００Ｋに維持される。但し、温度幅は、１００度に限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度幅であれば、９０度や１１０度等、それ以外の値であってもよい。

同様に、筒内温度の変動が所定の温度幅に収められている間の筒内温度は、１０００〜１１００Ｋに限られるものではない。燃料の異常燃焼を防止し且つリタードさせた自己着火燃焼を可能にする温度であれば、９５０〜１１００Ｋ、１０００〜１１５０Ｋ、１１００〜１２００Ｋ等、それ以外の値であってもよい。

主噴射は、エンジントルクを生成する主燃焼（１サイクル中で最も大きな熱量を発生させる燃焼）を生じさせるための噴射である。主噴射は、膨張行程において筒内温度の変動が上記所定の温度幅内に収まっている間に燃料が着火するタイミングで燃料を噴射する。さらに、主噴射の噴射タイミングは、主燃焼の燃焼期間がモータリング時の気筒１１内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するタイミングとなっている。ここで、着火とは、燃料の燃焼質量割合が１０％以上となった時点を意味する。例えば、主噴射は、圧縮上死点以降であって、膨張行程中（より詳しくは、膨張行程を初期、中期、終期に三等分したときの初期）に実行される。主噴射は、トルクを発生させる主燃焼を生じさせるものであるので、必要なトルクに見合った燃料を噴射する必要がある。例えば、主噴射では、前段噴射による噴射量と主噴射による噴射量とを合わせた全噴射量のうち３／４以上の燃料を噴射することが好ましい。

このように主燃焼をリタードさせる場合、リタードできる期間には限界がある。つまり、膨張行程が進むと、気筒１１内の容積の増大に伴って筒内温度が低下するので、主燃焼をリタードさせ過ぎると失火してしまう。膨張行程における筒内温度の低下速度は、圧縮比が高いほど速い。そのため、圧縮比が高いほど、リタード可能な期間が短くなる。しかしながら、前段噴射により圧縮上死点以降の筒内温度を維持することによって、主燃焼をリタードできる期間を拡大することができる。

ただし、圧縮上死点以降の筒内温度を高くする際に、筒内温度を高くし過ぎると、主噴射により噴射した燃料が筒内の空気と混ざり切る前に局所的に着火してしまい、煤を発生させる虞がある。しかし、前段噴射によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の変動が所定の温度幅内に抑制されるので、筒内温度の過度な上昇も抑制される。その結果、主噴射による燃料が局所的に着火して煤が発生してしまうことを抑制することができる。

リタード運転領域Ｂにおける低負荷側の領域Ｂ１では、図６（Ａ）に示す第１前段噴射と、主噴射とを行う。これにより、燃焼騒音が増大してしまうことを回避する。第１前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが１となるように設定されている。

これに対し、リタード運転領域Ｂにおける高負荷側の領域Ｂ２では、図６（Ａ）に示す、圧縮上死点前の第１前段噴射と、圧縮上死点後の主噴射との間に、第２前段噴射を行った上で、リタード自己着火燃焼を行う。これは、高負荷側の領域Ｂ２では、燃焼騒音を回避する目的から、圧縮着火燃焼の期間を、低負荷側の領域Ｂ１よりもさらに遅角させる必要があるが、圧縮着火燃焼の期間が、圧縮上死点から大きく遅れてしまうと、前述した前段燃焼によって気筒内の温度を維持しようとしても、温度が維持しきれずに低下してしまい、失火が生じる虞があるためである。つまり、第２前段噴射は、圧縮上死点から主噴射の燃料が圧縮着火するまでの筒内温度を実質的に圧縮上死点における筒内温度のまま維持するための熱量を発生させるものであり、それによって、温度維持期間を調整する。

第２前段噴射もまた、噴射した燃料を部分酸化反応させる空燃比となる量だけ燃料を噴射するものであって、圧縮上死点以降の筒内温度を所定の期間、主噴射による燃料が自己着火可能な温度に維持するためのものである。第２前段噴射では、燃料が酸化反応するものの熱炎反応には至らないので、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制する程度の熱量しか発生しない。第２前段噴射は、筒内温度が高くなり過ぎることを防止しつつ、圧縮上死点以降の筒内温度を維持するためのものである。この第２前段噴射により、高負荷側の領域Ｂ２では、低負荷側の領域Ｂ１と比較して、圧縮上死点以降の温度維持期間が長くなる。

そうして、高負荷側の領域Ｂ２では、主噴射の噴射タイミングを、低負荷側の領域Ｂ１での噴射タイミングよりも遅角する。但し、主噴射のタイミングは、膨張行程において筒内温度の変動が前記所定の温度幅内に収まっている間に燃料が着火するタイミングでかつ、主燃焼の燃焼期間がモータリング時の気筒内の圧力上昇率が負の最大値となる時点と重複するタイミングである。主噴射のタイミングを相対的に遅角することで、圧縮着火タイミングが遅れるようになり、その結果、圧縮着火燃焼の期間が、低負荷側の領域Ｂ１よりも遅角するようになる。こうして、高負荷側の領域Ｂ２においても、燃焼騒音を回避することが可能になる。

第２前段噴射の噴射量は、エンジン１０の負荷が高まるに従い増量する。負荷が高くなるほど、燃焼期間を遅らせるために主噴射のタイミングも遅くする必要があるため、第２前段噴射の噴射量を増やすことによって、圧縮上死点後の、所定温度を維持する期間を長くする。これにより、第２前段噴射の噴射開始タイミングはエンジン１０の負荷の高低に対してほとんど変化しないものの、その噴射終了タイミングはエンジン１０の負荷が高くなるほど遅くなる。

主噴射の噴射開始タイミングは、エンジン１０の負荷が高まるに従い次第に遅角する。これは、圧縮着火燃焼の期間を遅角させること、及び、第２前段噴射の噴射終了タイミングが遅くなることに対応している。また、エンジントルクに寄与する主噴射は、エンジン１０の負荷が高まるに従い増量する。

これに対し、第１前段噴射は、その噴射量及び噴射タイミング共に、リタード運転領域Ｂの全域に亘って、エンジン１０の負荷の高低に対し、ほぼ一定である。

尚、高負荷側の領域Ｂ２においても、前段噴射、第２前段噴射及び主噴射の全噴射量は、筒内全体の空気過剰率λが１となるように設定されている。第１前段噴射による噴射量は、全噴射量の５％程度であり、第２前段噴射による噴射量は、全噴射量の１５％程度である。主噴射の噴射量は、全噴射量の８０％程度である。

図６（Ｂ）の実線は、第１前段噴射及び主噴射を行う低負荷側の領域Ｂ１での気筒１１内の温度変化の一例を示している。また、同図の一点鎖線は、第１前段噴射、第２前段噴射及び主噴射を行う、高負荷側の領域Ｂ２での気筒１１内の温度変化の一例を示している。前述の通り、前段噴射によって気筒１１内に噴射された燃料は圧縮端温度を調整すると共に、圧縮上死点後の第２前段噴射により気筒１１内に噴射された燃料は部分酸化反応により、圧縮上死点後の気筒１１内の温度を所定の範囲に維持する期間を、さらに延長する。尚、破線は、モータリング時における、圧縮上死点後の気筒１１内の温度変化を示している。そうして、領域Ｂ１及び領域Ｂ２のそれぞれにおいて、主噴射によって気筒１１内に噴射された燃料は、所定のタイミングで圧縮着火し、燃焼する。

（気筒内でのオゾン生成）
リタード運転領域Ｂでは、前述の通り、少なくとも前段噴射と主噴射とを行うことにより、圧縮着火燃焼の燃焼期間を遅角させている。このエンジン１０はさらに、リタード運転領域Ｂにおいて、必要に応じて、自着火を誘発するオゾンを、燃焼室１７で吸気から直接生成することで、圧縮着火燃焼の安定化を図っている。オゾンを、燃焼室１７内で直接生成することにより、オゾン生成効率やエネルギの利用効率の向上、燃焼室１７内での吸気との適切な混合、制御のレスポンスの向上等が実現する。

具体的には、気筒１１を形成しているシリンダヘッド１３やシリンダブロック１２等にはアースが施されているため、電極７１ｂに短パルス高電圧が印加されると、気筒１１の内面（具体的には、燃焼室１７の内面）と、電極７１ｂとによってアノード及びカソードが構成され、これらの間で放電が生じる（電極７１ｂがアノードに相当し、気筒１１がカソードに相当する）。

印加される電圧は、所定の短パルス高電圧に制御されているので、燃焼室１７では、ストリーマ放電のみが発生する。従って、火花や熱が生じる虞はない。誘電体も介在していないし、燃焼室１７で直接生成されるため、高いオゾン生成効率やエネルギの利用効率が得られる。

高電圧制御器７２は、吸気行程、圧縮行程、及び膨張行程の、少なくともいずれかで作動をして、気筒１１内にオゾンを生成する。例えば、吸気弁２１が開弁して、燃焼室１７に吸気が導入しているときに同期して、電極７１ｂに短パルス高電圧を印加してもよい。そうすることで、放電が生じる電極７１ｂの近傍（放電空間）では、絶えず吸気（酸素）が供給され、生成されたオゾンと吸気とが入れ替わる。

その結果、オゾンの飽和濃度の影響をほとんど受けることなく、オゾンを生成できるので、より高度なオゾン生成効率やエネルギの利用効率を得ることができる。また、オゾンと吸気との混合も促進される。

また、高電圧制御器７２が、圧縮行程又は膨張行程中にオゾンを生成するときには、インジェクタ６により燃料を噴射することに同期して、電極７１ｂに短パルス高電圧を印加してもよい。そうすることで、図７に示すように、密閉された燃焼室１７内で、噴射される燃料の勢いによって空気が流動し、それにより、放電空間では、オゾンと空気とが入れ替わり、高いオゾン生成効率を維持した状態でオゾンが生成される。尚、圧縮行程又は膨張行程中にオゾンを生成するときに、燃料噴射に同期しないで、オゾンを生成することも可能である。

主噴射によって気筒１１内に噴射された燃料は、オゾンによってエネルギが付与され、容易に自己着火燃焼する。つまり、オゾンは、燃料の圧縮着火をアシストする。

前段噴射（第１及び第２前段噴射を含む）によれば、圧縮上死点以降の筒内温度の低下を抑制できるため、圧縮着火燃焼をリタードできる期間を延長することができる。しかしながら、リタードできる期間を延長できたとしても限界がある。それに対し、気筒１１内にオゾンを生成することによって、オゾンの供給が無ければ着火が困難又は着火が不可能な時点まで着火タイミングをリタードさせたとしても、燃料を圧縮着火させることができる。オゾンの供給は、圧縮着火燃焼をリタードさせる際のリタード期間を拡大することを可能にする。

オゾンの供給は、常時行ってもよい。オゾンの供給によって、前段噴射の噴射量を減らすことが可能になる。また、オゾンの供給は、圧縮上死点以降の筒内温度が所定の温度を下回ったときに限り、実行してもよい。この所定の温度は、オゾンの供給が無くても、燃料の圧縮着火燃焼が可能な温度である。つまり、前述したように、圧縮上死点から主噴射による燃料が着火するまでの筒内温度の変動を前段噴射によって所定の温度幅に維持する際の下限値に相当する温度である。つまり、圧縮上死点以降の筒内温度を前段噴射によって維持するだけでは主噴射による燃料の自己着火燃焼が困難な状況において、オゾンを供給してもよい。

オゾンの供給はまた、リタード運転領域Ｂにおける高負荷側の領域Ｂ２においてのみ行うようにしてもよいし、リタード運転領域Ｂの全域に亘って行ってもよい。

また、オゾン生成部７によって発生するオゾンの濃度は、例えばエンジン１０の負荷が高いほど高くしてもよい。オゾンの濃度が高いほど、圧縮着火のアシストは強くなり、気筒１１内の温度が低くても圧縮着火が可能になる、又は、着火タイミングが早くなる。一方、オゾン濃度を高くすることは、燃費の悪化や、エンジン１０の腐食には不利である。そこで、必要最低限のオゾンを供給するように、オゾンの濃度は、エンジン１０の負荷が高いほど高くしてもよい。

（エンジン再始動時の燃料噴射制御）
このエンジンシステム１は、燃費向上の観点から、所定の自動停止条件が成立したときに、エンジン１０を自動停止すると共に、所定の再始動条件が成立したときに、エンジン１０を再始動（つまり、自動始動）する、いわゆるアイドリングストップ制御を行う。このエンジンシステム１では、エンジン１０の再始動時にも、圧縮着火燃焼を行う。以下、エンジン１０の再始動時の燃料噴射制御について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。

図８のフローは、再始動条件が成立して、エンジン１０を自動停止した後にスタートする。ここで、自動停止条件としては、例えば車両が停止状態にあること、アクセルペダルの開度がゼロであること（アクセルオフ）、ブレーキペダルが踏み込まれていること（ブレーキオン）、エンジン１０の冷却水温が所定値以上であること、バッテリの残量が所定値以上であること、等の複数の要件を全て満足したときに、自動停止条件が成立したとする。

スタート後のステップＳ１では、各種センサ等の出力信号に基づいて、ピストン１６の停止位置、外気温、大気圧、エンジン１０の冷却水温度及び油温、ブレーキ踏込量、アクセル踏込量、空調装置のオン・オフ状態、車室内温度、バッテリ残量等を読み込む。これらのパラメータは、エンジン１０の再始動条件、及び、エンジン１０の再始動制御に関連する。

続くステップＳ２では、再始動条件が成立したか否かを判定する。再始動条件は、例えばブレーキペダルがリリースされたこと、アクセルペダルが踏み込まれたこと、エンジン１０の冷却水温が所定値未満になったこと、バッテリ残量の低下量が許容値を超えたこと、エンジン１０の停止時間が上限時間を超えたこと、空調装置の作動の必要性が生じたこと（つまり、車室内温度と空調装置の設定温度との差が所定値を超えたこと）等の要件の少なくとも１つを満足したときに、再始動条件が成立したと判定する。

ステップＳ２の判定がＮＯのときにはフローをリターンする一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳのとき（つまり、再始動条件が成立したとき）には、フローは、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、エンジン１０の再始動を開始したときの１爆目であるか否かを判定する。ここでは、１爆目であるとして説明を進める。フローは、ステップＳ３からステップＳ４に移行をする。

ステップＳ４では、１圧縮目着火が可能か否かを判定する。ここで、１圧縮目着火とは、エンジン１０が自動停止した状態で圧縮行程にあり、クランキングによってエンジン１０の再始動を開始したときに、ピストンが最初に圧縮上死点に至る気筒（以下、この気筒を停止時圧縮行程気筒と呼ぶ）に対し、燃料を噴射して圧縮着火により燃焼を行うことである。エンジン１０の再始動時に、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射して圧縮着火燃焼を行うことで、エンジン１０の迅速な再始動が実現する。ステップＳ４の判定は、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射したときに圧縮着火により燃焼を行うことが可能な否かを判定するものである。具体的には、停止時圧縮行程気筒のピストンが圧縮上死点に至ったときの、気筒１１内の推定温度（圧縮端温度（Ｔ１））に基づいて判定する。

圧縮端温度（Ｔ１）の推定は、モータリングによる圧縮端温度を推定するものであり、例えば停止時圧縮行程気筒のピストンが、停止位置から圧縮上死点に至るまでの圧縮ストロークによる温度上昇分（Ｔ０）に、所定の係数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を乗算することによって可能である。

係数Ｃ１は、外気温係数であり、例えば外気温が２０℃のとき、Ｃ１＝１．０とし、２０℃未満では低温ほど、係数Ｃ１を小さくし（例えば０℃で、Ｃ１＝０．９５）、２０℃を超えるときには高温ほど、係数Ｃ１を大きくする（例えば４０℃で、Ｃ１＝１．０３）。

係数Ｃ２は、外気圧係数であり、例えば外気圧が１．０気圧のとき、Ｃ２＝１．０とし、１気圧未満では低気圧ほど、係数Ｃ２を小さくし（例えば０．９０気圧で、Ｃ１＝０．９０）、１気圧を超えるときには高気圧ほど、係数Ｃ２を大きくする（例えば１．１０気圧で、Ｃ２＝１．１０）。

係数Ｃ３は、エンジン温度係数であり、エンジン温度（冷却水温及び／又は油温）が７０℃のとき、Ｃ３＝１．０とし、７０℃未満では低温ほど、係数Ｃ３を小さくし（例えば４０℃で、Ｃ３＝０．９７）、７０℃を超えるときには高温ほど、係数Ｃ４を大きくする（例えば１００℃で、Ｃ３＝１．０１）。

そうして、推定した圧縮端温度（Ｔ１）が、燃料の圧縮着火燃焼が可能な温度以上であるときには、ステップＳ４の判定をＹＥＳと判定して、ステップＳ５に移行する一方、推定した圧縮端温度（Ｔ１）が、燃料の圧縮着火燃焼が可能な温度未満のときには、ステップＳ４の判定をＮＯと判定して、ステップＳ１０に移行する。例えば停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角よりも上死点側にあるときには、圧縮ストロークが短くなるため、圧縮ストロークによる温度上昇分（Ｔ０）は小さくなる。その結果、ステップＳ４の判定がＮＯとなり得る。一方、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角又はそれよりも下死点側にあるときには、圧縮ストロークが長くなるため、圧縮ストロークによる温度上昇分（Ｔ０）は大きくなる。その結果、ステップＳ４の判定がＹＥＳとなり得る。

ステップＳ５以降のステップでは、エンジン１０の再始動時に、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射して、圧縮着火及び燃焼を行う。一方、ステップＳ１０では、エンジン１０の再始動時に、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射しないで、次にピストンが圧縮上死点に至る、停止時吸気行程気筒に燃料を噴射する。こうして、推定した圧縮端温度（Ｔ１）に基づいて、エンジン１０の再始動時に、最初に燃料を噴射する気筒を切り換えることによって、最初に噴射した燃料について圧縮着火燃焼が確実に行われるようにする。

ステップＳ５では、推定圧縮端温度（Ｔ２）に基づいて、停止時圧縮行程気筒に対する、最初の（つまり、１爆目の）燃料噴射量及び噴射タイミングを設定する。この推定圧縮端温度（Ｔ２）は、前述した推定圧縮端温度（Ｔ１）とは異なり、気筒１１内への燃料噴射を考慮して推定した圧縮端温度である。ステップＳ５では、圧縮端温度が、圧縮着火が可能な温度となるように、停止時圧縮行程気筒への燃料噴射量及び噴射タイミングを設定する。

図９は、停止時圧縮行程気筒における、エンジン１０の再始動時の気筒内の温度変化を例示している。クランキングによってピストン１６が圧縮上死点に向かって移動する（図９の右から左に対応する）に従い、気筒１１内のガス（概ね空気）が圧縮されて、気筒１１内の温度が次第に上昇する。停止時圧縮行程気筒のピストン停止位置が、相対的に下死点側であるＰ１に位置しているときには、上死点に至るまでの圧縮ストロークが長く、有効圧縮比が高くなる。このため、気筒１１内の温度は、実線から一点鎖線のように変化して圧縮端温度も高くなる（Ｔｅｍｐ１）。

エンジン１０の再始動時には、ピストン１６が上死点に至るまでの間に、停止時圧縮行程気筒内で燃料噴射が行われる。図９の例では、所定のタイミング（Ｆ１）で、停止時圧縮行程気筒内に燃料が噴射されるとする。この噴射タイミングは、圧縮行程終期に相当する。燃料の噴射により、気筒１１内には混合気が形成される。混合気の比熱比は、燃料を噴射する前の空気の比熱比よりも低い。そのため、燃料噴射後は、圧縮に伴うガスの温度上昇が緩やかになり、その結果、実際の圧縮端温度は、図９の実線で示すようにＴｅｍｐ２になる。図９の例では、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、相対的に下死点側にあるとき（Ｐ１）には、圧縮ストロークを十分に確保することができる分、圧縮端温度Ｔｅｍｐ２は、圧縮着火に必要な温度を、若干、超えている。これに対し、図示は省略するが、燃料の噴射タイミングをさらに早めたときには、比熱比の低い混合気を圧縮するストローク分が、その分多くなるから、圧縮端温度がＴｅｍｐ２よりも低くなる。その結果、圧縮端温度が、圧縮着火に必要な温度未満になり得る。これは、圧縮着火燃焼の安定化を阻害する。逆に、燃料の噴射タイミングをさらに遅らせたときには、比熱比の高い空気を圧縮するストローク分が、その分多くなるから、圧縮端温度がＴｅｍｐ２よりも高くなる。その結果、圧縮端温度が、圧縮着火に必要な温度を大きく超え得る。これは、圧縮着火のタイミングが早くなりすぎる事態を招く。

ステップＳ５では、ステップＳ４において推定した圧縮端温度（Ｔ１）に基づき、圧縮行程後半の所定のタイミングで、要求噴射量分の燃料を噴射したときの圧縮端温度（Ｔ２）を推定する。ここで、「圧縮行程後半の所定の（噴射）タイミング」は、気筒１１内に噴射した燃料が所定の着火遅れを経て、圧縮上死点付近の最適タイミングで圧縮着火するようなタイミングである。また、要求噴射量は、空気過剰率λが１となるような噴射量である。エンジン１０の再始動時に空気過剰率λを１にすることで、圧縮着火燃焼の安定性が高まると共に、大トルクを発生させて、エンジン１０の迅速な再始動が可能になる。

そうして推定した圧縮端温度（Ｔ２）が、圧縮着火に必要な温度を超えるときには、ステップＳ５において、燃料噴射量を要求噴射量にかつ、噴射タイミングを前記の所定のタイミングに設定する。こうすることで、圧縮着火燃焼による膨張エネルギが最も効率よくピストン１６に伝達されるようになり、大トルクを発生させることが可能になる。圧縮着火に必要な温度は、例えば８００〜９００Ｋで適宜設定すればよい。

これに対し、推定した圧縮端温度（Ｔ２）が、圧縮着火に必要な温度を下回るときには、燃料噴射タイミングを、所定のタイミングよりも遅角させる。これにより、比熱比の高い空気を圧縮するストローク分が増えるため、その分、圧縮端温度を高くすることができ、圧縮着火に必要な温度を超えることが可能になる。ここで、燃料の噴射タイミングを遅らせすぎると、噴射した燃料と空気とが混ざり合う時間を十分に確保できないまま、着火に至り、その結果、煤が発生してしまう虞がある。そのため、燃料噴射タイミングは、予め設定された遅角限界で制限される。

また、推定した圧縮端温度（Ｔ２）が、圧縮着火に必要な温度を大きく上回るときには、圧縮上死点に至る前に圧縮着火をしてしまう可能性がある。そこで、燃料噴射タイミングを、前記所定のタイミングよりも進角させる。これにより、比熱比の低い混合気を圧縮するストローク分が増えるため、その分、圧縮端温度を低くすることができ、圧縮着火に必要な温度を大きく超えてしまうことが防止される。

このように、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、比較的下死点側に位置しているときには、圧縮ストロークを十分に確保することができるため、図９に白抜きの矢印で示すように、燃料の噴射タイミングを適宜変更することにより、圧縮着火に必要な温度を上回るように、圧縮端温度を調整することが可能である。ピストン位置が上死点側にあるときには、下死点側にあるときよりも噴射タイミングを遅角する。ステップＳ５では、圧縮端温度が、圧縮着火に必要な温度を上回るように、燃料の噴射タイミングを設定する。その結果、噴射タイミングは、圧縮行程終期に設定される。

これに対し、停止時圧縮行程気筒において、ピストン１６の停止位置が、相対的に上死点側に位置しているとき（図９のＰ２参照）には、圧縮ストロークが相対的に短く、有効圧縮比が相対的に低くなる。その結果、モータリング時の気筒１１内の温度は、図９において実線から一点鎖線のように変化をし、圧縮端温度が、相対的に低くなる（Ｔｅｍｐ３）。この場合に、前述したように、圧縮端温度をできるだけ高めるべく、燃料噴射のタイミングを、例えば、予め設定された遅角限界まで遅らせたとしても（図９のＦ２参照）、圧縮端温度Ｔｅｍｐ４が、圧縮着火に必要な温度を下回ることも起こり得る。この場合、ステップＳ５では、燃料の噴射タイミングを、遅角限界に設定する。

こうしてステップＳ５において、停止時圧縮行程気筒における燃料噴射量及び燃料噴射タイミングをそれぞれ設定すれば、続くステップＳ６で、推定圧縮端温度（Ｔ３）に基づいて、オゾン生成の要否を判断する。推定圧縮端温度（Ｔ３）は、ステップＳ５において設定した燃料噴射量及び燃料噴射タイミングに従って、燃料噴射を行ったときの、停止時圧縮行程気筒における圧縮端温度である。推定圧縮端温度（Ｔ３）が、圧縮着火に必要な温度以上のときには、オゾン生成は不要であると判断する。推定圧縮端温度（Ｔ３）が、圧縮着火に必要な温度を下回るときには、オゾン生成は必要であると判断する。ステップＳ６においてオゾン生成が必要と判断したときには、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、圧縮端温度と圧縮着火に必要な温度との温度差等に基づいて、オゾン生成部７によるオゾンの生成量及び生成タイミングをそれぞれ設定する。図９の例では、圧縮端温度（Ｔ３）が、Ｔｅｍｐ２にときには、オゾンの生成が不要と判断される。圧縮端温度（Ｔ３）が、Ｔｅｍｐ４のときには、オゾンの生成が必要と判断される。つまり、エンジン１０を再始動する時に、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が上死点側のＰ２にあるときには、燃料の噴射タイミングＦ２を、下死点側のＰ１にあるときの噴射タイミングＦ１よりも遅角すると共に、オゾン生成部７を通じて停止時圧縮行程気筒内でオゾンを生成することになる。

尚、ここでは、燃費の向上等を考慮して、オゾン生成をなるべく行わないように、ステップＳ５において、燃料噴射のタイミングを調整することによってできるだけ、圧縮端温度を高まるように、燃料噴射タイミングを設定する一方、遅角限界によって、圧縮端温度がそれ以上に高めることができない場合に限って、オゾンを生成するようにしている。

これとは異なり、ステップＳ５においては、燃料噴射のタイミングを所定のタイミングに仮設定しておき、その場合の圧縮端温度を推定し、推定した圧縮端温度と、圧縮着火に必要な温度との温度差に基づいて、オゾン生成部７によるオゾンの生成量及び生成タイミングをそれぞれ設定した上で（尚、オゾンを生成しないことも含む）、燃料噴射のタイミングを、再設定するようにしてもよい。

また、オゾンの生成を前提として、燃料噴射のタイミングを設定してもよい。例えば、停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、上死点と下死点との間の所定位置又はそれよりも上死点側にあるときには、停止時圧縮行程気筒内でオゾンを生成することとし、気筒内でのオゾンの生成を前提して定められる燃料噴射タイミングの遅角限界よりも進角側で、燃料噴射タイミングを設定するようにしてもよい。ここでの「所定位置」は、適宜設定することが可能である。例えば上死点と下死点との中央位置としてもよい。

また、ステップＳ６では、オゾン生成の要否を判断しているが、エンジン１０の再始動時にはオゾンを常時生成するようにして、ステップＳ６では、オゾンの生成量の設定を行ってもよい。つまり、推定した圧縮端温度が、所定温度（尚、この所定温度は、圧縮着火に必要な温度としてもよいし、その温度に基づいて設定した温度としてもよい）以下のときには、オゾンの生成量を相対的に多くする一方、推定した圧縮端温度が所定温度を超えるときには、オゾンの生成量を相対的に少なくしてもよい。推定した圧縮端温度と所定温度との温度差に応じて、（例えば比例するように）オゾンの生成量を設定してもよい。

このようにして、ステップＳ５及びＳ６において、燃料噴射量、燃料噴射タイミング及びオゾン生成の要否をそれぞれ設定すれば、ステップＳ７で、スタータモータ９１を駆動して、エンジン１０のクランキングを開始し、続くステップＳ８で、オゾン生成の要否を判定する。オゾン生成が必要のときには、ステップＳ９に移行して、設定した燃料噴射量でかつ、設定した噴射タイミングで、インジェクタ６を通じて停止時圧縮行程気筒に燃料噴射を行う。１圧縮目着火では、燃料噴射は、圧縮行程終期期に行われることになる。この燃料噴射と共に、所定のタイミングでオゾン生成を行う。前述したように、オゾン生成部７は、密閉した気筒１１内でオゾンを生成することが可能であるため、エンジン１０の再始動時に停止時圧縮行程気筒内でオゾンを生成する上で有利である。

一方、オゾン生成が不要のときには、ステップＳ８からステップＳ１２に移行して、設定した燃料噴射量でかつ、設定した噴射タイミングで、インジェクタ６を通じて停止時圧縮行程気筒に燃料噴射を行う。ここにおいても、燃料噴射は、圧縮行程終期に行われることになる。

これに対し、ステップＳ４で、停止時圧縮行程気筒における１圧縮目着火ができないと判定された後の、ステップＳ１０では、２圧縮目気筒の１爆目の、つまり停止時吸気行程気筒に最初に噴射をするときの、燃料噴射量及び噴射タイミングを、停止時吸気行程気筒の推定圧縮端温度（Ｔ４）に基づいて、それぞれ設定する。燃料噴射量は、ステップＳ５と同様に、空気過剰率λ＝１となるように、設定される。また、推定圧縮端温度（Ｔ４）は、ステップＳ４で推定をした、停止時圧縮行程気筒における圧縮端温度と同様に、推定をすることが可能である。但し、停止時吸気行程気筒は、停止時圧縮行程気筒とは異なり、圧縮ストロークを十分に確保することが可能であり、その圧縮端温度は、着火に必要な温度を十分に超えるようになる。一方で、停止時吸気行程気筒では、エンジンの自動停止中に、放射熱によって加熱された吸気が圧縮される結果、圧縮端温度が高くなる傾向にあり、その結果、燃料の噴射タイミングを早めたときには、プリイグニッションが発生する虞がある。また、圧縮着火のタイミングが早くなることで、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超える虞もある。

そこで、ステップＳ１０では、推定した圧縮端温度（Ｔ４）に応じて、燃料噴射タイミングを遅角させる。そのように燃料噴射タイミングを遅角させる結果、前述したリタード自己着火燃焼となるよう、前段噴射及び主噴射を行う場合もある。つまり、エンジントルクの生成に寄与する燃料噴射（つまり、主噴射）を、圧縮上死点以降に遅らせるために、第１前段噴射、又は、第１及び第２前段噴射を行うようにする。この２圧縮目の停止時吸気行程気筒におけるリタード自己着火燃焼は、後述する２爆目以降のリタード自己着火燃焼と同様の制御になる。

ステップＳ１０で、停止時吸気行程気筒に対する燃料噴射量及び噴射タイミングをそれぞれ設定すれば、続くステップＳ１１で、スタータモータ９１を駆動して、エンジン１０のクランキングを開始する。そうして、続くステップＳ１２で、ステップＳ１０で設定した燃料噴射量及び噴射タイミングに従って、停止時吸気行程気筒に、燃料噴射を行う。この場合は、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で、燃料噴射が行われる。これにより、プリイグニッションの発生や、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超えることが、それぞれ回避される。

このようにして、停止時圧縮行程気筒又は停止時吸気行程気筒において、１爆目の燃焼が行われれば、フローは、ステップＳ３からステップＳ１３に移行をする。

ステップＳ１３では、２爆目以降の燃焼を行う気筒（つまり、２爆目は、停止時吸気行程気筒、又は、停止時排気行程気筒になる）において、所定の燃料噴射タイミングで燃料を噴射して圧縮着火燃焼を行ったときに、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が、制限値を超えるか否かを判定する。２爆目以降は、エンジン１０の回転数が上昇することで、ピストンリングの合口隙間からのガス漏れ量が少なくなり、有効圧縮比が高くなる。また、特に、ピストン位置の関係から有効圧縮比が相対的に低くなる停止時圧縮行程気筒において１爆目を行い、２爆目を、停止時吸気行程気筒において行う場合には、停止時吸気行程気筒の圧縮ストロークは相対的に長くなるため、有効圧縮比が大幅に高くなり得る。その結果、所定の燃料噴射タイミング（例えば１爆目と同じ燃料噴射タイミング）で燃料噴射を行ったときに、圧縮着火のタイミングが早くなって、圧縮着火燃焼による気筒１１内の圧力上昇が急峻になる場合がある。また、圧縮着火のタイミングが早くなることは、Ｐｍａｘの増大や、燃焼温度の上昇を招き、エンジンの信頼性低下、及び／又は、ＲａｗＮＯｘの増大を招く虞もある。

ステップＳ１３の判定において、ｄＰ／ｄθが制限値を超えないとき（つまり、ＮＯのとき）には、ステップＳ１４に移行し、制限値を超えるとき（つまり、ＹＥＳのとき）には、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１４では、気筒１１内の圧力上昇率が制限値を超えないことから、圧縮上死点付近において圧縮着火して燃焼するように、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間内で、燃料噴射を行う。燃料噴射量は、空気過剰率λが１となるように設定される。これにより、２爆目以降も、大きなトルクを発生させて迅速な再始動が可能になる。尚、２爆目以降は、エンジン１０の回転数が次第に上昇することに伴い、クランク角変化に対する実時間が短くなる。そのため、気筒内に噴射した燃料と空気とが混合する時間（着火遅れ時間）が短くなる。これは、煤の発生を招く虞がある。そこで、ステップＳ１４では、着火遅れ時間を確保可能となるような適宜のタイミングで、燃料の噴射を行うことが好ましい。

一方、ステップＳ１５では、気筒内の圧力上昇率が制限範囲を超えてしまうことから、前述したリタード自己着火燃焼となるように、前段噴射及び主噴射を行う。従って、トルクの発生に寄与する燃料噴射（つまり、主噴射）のタイミングは、膨張行程初期であり、１爆目の燃料噴射のタイミングに対して遅角する。こうすることで、前述したように、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火して燃焼をするから、気筒１１内の圧力上昇が急峻になってしまうことが回避され、圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）を制限値以下に収めることが可能になる。また、Ｐｍａｘの増大及び燃焼温度の上昇も回避され、エンジンの信頼性確保及びＲａｗＮＯｘの抑制も可能になる。さらに、主噴射を、気筒１１内の圧力が次第に低下する膨張行程期間で行うため、２爆目以降は、エンジン回転数が上昇していてクランク角変化に対する実時間は短くなっているものの、比較的長い着火遅れ時間を確保することが可能になる。これにより、煤の発生も抑制される。尚、前段噴射及び主噴射を合わせた燃料噴射量は、空気過剰率λが１となるように設定される。

ステップＳ１４及びＳ１５の後の、ステップＳ１６では、エンジン回転数ＮＥが所定値以下、つまり、完爆回転数（例えば５００ｒｐｍ）に到達したか否かを判定し、到達していないときにはリターンをして、ステップＳ１３〜Ｓ１５を繰り返す。一方、エンジン回転数ＮＥが所定値を超えたときには、ステップＳ１７に移行して、エンジン１０の始動が完了したとして、スタータモータ９１を停止する。始動完了後のエンジン１０は、アイドル運転状態を含む通常運転領域Ａとなるため（図５参照）、空気過剰率λは、エンジン１０の再始動を行っている間のλ＝１から、λ≧２に変更される。

図１０は、図８のフローに従ってエンジン１０の再始動を行う場合の、燃料噴射制御の例を示している。図１０は、第１〜第４気筒それぞれの行程を示しており、左から右に向かってクランク角が進行する。図１０における「Ｆ」で示す四角は、燃料噴射を示し、「Ｈ」で示す山は、圧縮着火燃焼による熱発生を示している。また、図１０の左端の縦線は、エンジン１０が自動停止したときのピストン位置に相当し、図１０の例では、第３気筒が、停止時圧縮行程気筒であり、その停止時圧縮行程気筒において、１爆目の燃焼が可能とする（つまり、図８のフローにおいて、ステップＳ４の判定がＹＥＳである）。

エンジン１０の再始動条件が成立してクランキングが開始すれば、第３気筒にλ＝１となる所定量の燃料を、圧縮行程終期の所定のタイミングで噴射する。これにより、第３気筒は、圧縮上死点付近で圧縮着火する。停止時圧縮行程気筒における１爆目の燃焼は、有効圧縮比が比較的低いため、圧縮上死点付近で圧縮着火して燃焼をしても、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超えることがない。一方、圧縮上死点付近で圧縮着火して燃焼をすることで、燃焼重心（燃焼質量割合が５０％となる時期）が、圧縮上死点の近傍になり、圧縮着火燃焼による膨張エネルギを、効率良くピストン１６に伝達して、エンジン１０の迅速始動に有利になる。

次にピストン１６が圧縮上死点に至る停止時吸気行程気筒は第４気筒であり、図１０の例では、リタード自己着火燃焼となるように、圧縮行程中の第１前段噴射と、膨張行程初期の主噴射とを行う。こうして、圧縮上死点に対して所定のクランク角だけ遅れて圧縮着火するように燃料噴射タイミングを制御することで、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超えることを防止する。これは、最初に燃料を噴射する停止時圧縮行程気筒への燃料噴射タイミングに対して、次に燃料を噴射する停止時吸気行程気筒への噴射タイミングを遅角させ、それによって、気筒１１内の圧力上昇率が急峻になることを防止している、ということが可能である。第１前段噴射のタイミングは、例えばＡＴＤＣ−９０°〜−３０°ＣＡ、主噴射のタイミングは、例えばＡＴＤＣ１０°〜３０°ＣＡとしてもよい。

３爆目の燃焼を行う停止時排気行程気筒は、第２気筒である。図１０の例では、この第２気筒についても、リタード自己着火燃焼となるように、圧縮行程中の第１前段噴射と、膨張行程初期の主噴射とを行う。ここで、エンジン１０の始動開始から、エンジン１０の回転数が次第に高まるにつれて、ピストンリングの合口隙間を通じた漏れが次第に少なくなるため、２爆目の燃焼を行う停止時吸気行程気筒よりも、３爆目の燃焼を行う停止時排気行程気筒の方が、有効圧縮比が高くなり得る。そこで、３爆目の停止時排気行程気筒では、２爆目の停止時吸気行程気筒よりも圧縮着火燃焼が遅くなるように、３爆目の停止時排気行程気筒での主噴射の噴射タイミングは、２爆目の停止時吸気行程気筒での主噴射の噴射タイミングよりも、さらに遅角してもよい。こうすることで、燃焼騒音の増大を、さらに抑制することが可能になる。

４爆目の燃焼を行う停止時膨張行程気筒は、第１気筒である。前述の通り、エンジン１０の回転数がさらに高まり、有効圧縮比がさらに高くなることに伴い、図例では、４爆目の停止時膨張行程気筒において、圧縮着火燃焼がさらに遅れるように、主噴射の噴射タイミングをさらに遅角させる。そのために、４爆目の燃焼を行う第１気筒では、第１前段噴射と第２前段噴射とを行う。こうすることで、主噴射の噴射タイミングをさらに遅くしても、圧縮着火燃焼の安定化が図られる。また、圧縮着火燃焼に伴う気筒１１の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が、制限値を超えてしまうことも抑制される。尚、第２前段噴射のタイミングは、例えばＡＴＤＣ０°〜１０°ＣＡとしてもよい。

こうして図１０の例では、第１気筒において４爆目の圧縮着火燃焼が行われて、エンジン１０の再始動が完了することになる。図１０から明らかなように、エンジン１０の再始動を開始してから、始動が完了するまでは、圧縮着火燃焼の燃焼重心は、圧縮上死点以降に設定される。

尚、図１０は、エンジン１０の再始動時における燃料噴射制御の一例であり、気筒１１内の状態等に応じて、再始動を開始してから、始動が完了するまでの間における、各気筒１１での燃料噴射タイミング等は、適宜変更される。

また、前記の例では、エンジン１０の再始動を介して、エンジン１０の回転数が上昇するに従って、主噴射の噴射タイミングを次第に遅らせているが、２爆目以降の燃料噴射タイミング（主噴射のタイミング）は、１爆目の燃料噴射タイミングよりも所定クランク角だけ遅角したタイミングで、エンジン１０の回転数の上昇に拘わらず固定してもよい。

また、図８のフローでは、１爆目の燃焼時のみ、必要に応じて気筒１１内でオゾンを生成しているが、２爆目以降の燃焼においても、必要に応じて気筒１１内でオゾンを生成してもよい。

（エンジン再始動時の吸気量制御）
前述したように、エンジン１０の再始動時にエンジン回転数が高くなるに従い、有効圧縮比が高まる。その結果、圧縮着火燃焼が急峻になって、気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が制限値を超える可能性がある。このエンジンシステム１では、エンジン１０の再始動時に、前述した燃料噴射制御によって圧縮着火燃焼の燃焼期間を遅角させることに加えて、気筒１１内に導入する吸気量を、一時的に低減することによって、エンジン１０の再始動時に有効圧縮比が高くなることを抑制している。このエンジンシステム１では、吸気量の低減を、吸気ＶＶＴ２３によって吸気弁２１の閉弁タイミングを、吸気下死点以降で遅らせる、いわゆる吸気の遅閉じによって行う。これは、ポンピングロスを低減して、燃費の向上に有利になる。尚、スロットル弁３１の開度を調整することによって、気筒１１内に導入する吸気量を低減するようにしてもよい。

図１１は、エンジン１０の再始動時における、エンジン回転数の変化（下図）と、吸気弁２１の閉弁タイミングの変化（上図）とを例示している。時刻ｔ１でスタータモータ９１が駆動をしてエンジン１０の再始動が開始する。このエンジン１０の再始動を開始するときには、吸気弁２１の閉弁タイミングを、比較的進角側の所定のタイミングに設定する。これにより、エンジン１０の再始動開始時には、大量の吸気を気筒１１内に導入することが可能になり、大トルクを発生させて、エンジン１０の再始動の迅速化に有利になる。

エンジン１０の再始動が開始した後は、エンジン１０の回転数が上昇するに従い、吸気弁２１の閉弁タイミングを遅角側に変更する。図１１の例では、エンジン１０の回転数が所定回転数を超えた時刻ｔ２以降で、閉弁タイミングを、エンジン回転の上昇に比例して連続的に変更している。ここでは図示しないが、吸気弁２１の閉弁タイミングを、エンジン回転の上昇に比例して、段階的に変更してもよい。エンジン回転数の上昇に伴い、ピストンリングの合口隙間からのガス漏れ量が減るものの、気筒１１内に導入される吸気量も減るため、有効圧縮比が高くなることが抑制される。有効圧縮比は、ほぼ一定、又は、緩やかに高くなる。これにより、圧縮着火のタイミングをコントロールすることが可能になり、エンジン１０の再始動が完了するまでの期間において圧縮着火のタイミングが早くなることが抑制される。その結果、圧縮着火燃焼による気筒１１内の圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）が急峻になることが回避され、エンジン１０の再始動時に燃焼騒音が増大してしまうことが回避される。一方で、エンジン回転数の上昇に比例して、閉弁タイミングを変更することで、有効圧縮比をできるだけ高く維持することが可能になる。これは、エンジン１０の迅速始動に有利になる。

そうして、時刻ｔ３で、エンジン回転数が完爆回転数に到達し、エンジン１０の始動が完了すれば、吸気弁２１の閉弁タイミングは進角される。これにより、気筒１１内に導入される吸気量は増大する。

エンジン１０の始動を開始してから始動が完了するまでは、空気過剰率λが１に設定される。これは、前述の通り、大トルクの発生に有利になり、エンジン１０の迅速な再始動を実現する。一方、エンジン１０の再始動が完了して、エンジン１０の運転状態が通常運転領域Ａ（アイドル運転状態を含む）に移行すれば、エンジン１０は、空気過剰率λをλ＞１（正確には、前述の通りλ≧２）のリーンにする。エンジン１０の始動が完了した後に、吸気弁２１の閉弁タイミングを進角して、気筒１１内に導入する吸気量を増大することは、混合気のリーン化に有利になる。始動完了後の吸気弁２１の閉弁タイミングは、エンジン１０の運転状態に応じて適宜設定される。

こうして、自動停止したエンジン１０を再始動するときには、その再始動を迅速に行いつつ、燃焼騒音が増大することが抑制される。特に、エンジン１０の再始動（つまり、自動始動）は、ドライバーの始動操作に依らない始動であるため強制始動時よりも厳しい燃焼騒音の抑制が求められるが、前述した、２爆目以降の燃料の噴射タイミングを遅らせることと、気筒１１内に導入する吸気量を低減することとを組み合わせることで、高いレベルで、燃焼騒音を抑制することが可能になる。

尚、ここに開示する技術は、エンジン１０の再始動時に限らず、ドライバーの始動操作に起因する強制始動時にも適用することが可能である。エンジン１０を強制始動するときには、気筒識別や、燃料圧力の上昇を待つために、スタータモータ９１を駆動してエンジン１０のクランキングを開始した後、１圧縮目の気筒に対しては燃料を噴射することができず、２圧縮目又は３圧縮目の気筒に対して最初に燃料を噴射することになる。その場合、最初の燃料噴射を行う気筒は、有効圧縮比が比較的高くなることから、燃料の噴射タイミングを遅らせればよい。燃料噴射タイミングは、圧縮上死点に対して所定期間だけ遅れて圧縮着火燃焼するように、遅らせてもよく、例えばリタード自己着火燃焼となるように、前段噴射と主噴射とを行ってもよい。また、次に燃料噴射を行う気筒については、エンジンの回転数が上昇する分、有効圧縮比が高くなるため、圧縮上死点に対して所定期間だけ遅れて圧縮着火燃焼するように、最初の燃料噴射タイミングよりも、噴射タイミングを遅らせればよい。

また、図１１に示す吸気量の低減制御は、省略することも可能である。

尚、前記の構成では、自然吸気エンジンを例に本技術を説明したが、ターボ過給機を備えたエンジンに、本技術を適用することも可能である。

従って、圧縮着火式エンジンの始動装置（エンジンシステム１）は、それぞれピストン１６が嵌挿される複数の気筒１１を有するよう構成された多気筒エンジン（エンジン１０）と、各気筒１１内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタ６と、前記インジェクタ６を通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒１１内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記エンジン１０を運転するよう構成された制御部（ＥＣＭ１００）と、を備え、前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０を始動するときに、前記複数の気筒１１に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒１１内の混合気を圧縮着火により燃焼させ、前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の始動時に、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる。

圧縮着火式エンジンの始動装置（エンジンシステム１）はまた、それぞれピストン１６が嵌挿される複数の気筒１１を有するよう構成された多気筒エンジン（エンジン１０）と、各気筒１１内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタ６と、前記インジェクタ６を通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒１１内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記エンジン１０を運転するよう構成された制御部（ＥＣＭ１００）と、を備え、前記ＥＣＭ１００は、所定の自動停止条件が成立したときに前記エンジン１０を自動停止すると共に、所定の再始動条件が成立したときに、前記複数の気筒１１に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒１１内の混合気を圧縮着火燃焼させることで、前記エンジン１０を再始動し、前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の再始動時に、最初に燃料を噴射する停止時圧縮行程気筒への噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射する停止時吸気行程気筒への噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる。

また、前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の始動時には、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、前記エンジン１０の始動完了後の低負荷定常運転状態の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆよりもリッチになるように、燃料噴射量を調整する。

特に、前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の始動時には、混合気の空気過剰率λを１にする。

前記ＥＣＭ１００は、次に燃料を噴射する気筒１１については、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で行う主噴射の前に、当該主噴射よりも噴射量の少ない前段噴射を行う。

前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の始動時には、圧縮着火燃焼の燃焼重心が圧縮上死点以降となるように、噴射タイミングを設定する。

前記ＥＣＭ１００は、前記エンジン１０の再始動時に、前記停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角よりも上死点側にあるときには、前記停止時圧縮行程気筒へ最初の燃料噴射を行わず、前記停止時吸気行程気筒に最初の燃料噴射を行うと共に、その噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定期間だけ遅れて圧縮着火するように、設定する。

このエンジンシステム１によると、エンジン１０の迅速始動を実現しつつ、燃焼騒音が増大してしまうことが防止される。

１ エンジンシステム（始動装置）
１０ エンジン（多気筒エンジン）
１１ 気筒
１６ ピストン
１００ ＥＣＭ（制御部）
６ インジェクタ

Claims (7)

1. それぞれピストンが嵌挿される複数の気筒を有するよう構成された多気筒エンジンと、
   各気筒内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   前記インジェクタを通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記多気筒エンジンを運転するよう構成された制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンを始動するときに、前記複数の気筒に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させ、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時に、最初に燃料を噴射するときの噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射するときの噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる圧縮着火式エンジンの始動装置。
2. それぞれピストンが嵌挿される複数の気筒を有するよう構成された多気筒エンジンと、
   各気筒内に、ガソリンを含有する燃料を噴射するよう構成されたインジェクタと、
   前記インジェクタを通じて前記燃料を所定のタイミングで噴射し、それによって形成される気筒内の混合気を圧縮着火により燃焼させることで、前記多気筒エンジンを運転するよう構成された制御部と、を備え、
   前記制御部は、所定の自動停止条件が成立したときに前記多気筒エンジンを自動停止すると共に、所定の再始動条件が成立したときに、前記複数の気筒に順次、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で燃料噴射を行うと共に、気筒内の混合気を圧縮着火燃焼させることで、前記多気筒エンジンを再始動し、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの再始動時に、最初に燃料を噴射する停止時圧縮行程気筒への噴射タイミングに対し、次に燃料を噴射する停止時吸気行程気筒への噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定クランク角だけ遅れて圧縮着火するように、遅角させる圧縮着火式エンジンの始動装置。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮着火式エンジンの始動装置において、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆが、前記多気筒エンジンの始動完了後の低負荷定常運転状態の混合気のＡ／Ｆ又はＧ／Ｆよりもリッチになるように、燃料噴射量を調整する圧縮着火式エンジンの始動装置。
4. 請求項３に記載の圧縮着火式エンジンの始動装置において、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、混合気の空気過剰率λを１にする圧縮着火式エンジンの始動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの始動装置において、
   前記制御部は、次に燃料を噴射する気筒については、圧縮行程終期から膨張行程初期の期間で行う主噴射の前に、当該主噴射よりも噴射量の少ない前段噴射を行う圧縮着火式エンジンの始動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンの始動装置において、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの始動時には、圧縮着火燃焼の燃焼重心が圧縮上死点以降となるように、噴射タイミングを設定する圧縮着火式エンジンの始動装置。
7. 請求項２に記載の圧縮着火式エンジンの始動装置において、
   前記制御部は、前記多気筒エンジンの再始動時に、前記停止時圧縮行程気筒のピストン位置が、所定クランク角よりも上死点側にあるときには、前記停止時圧縮行程気筒へ最初の燃料噴射を行わず、前記停止時吸気行程気筒に最初の燃料噴射を行うと共に、その噴射タイミングを、圧縮上死点に対して所定期間だけ遅れて圧縮着火するように、設定する圧縮着火式エンジンの始動装置。

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